2022年纳米电子学 .pdf

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1、纳米技术在电子学的应用纳米电子学摘要 ：评论了纳米电子学的沿革路程，介绍了纳米电子学的研究内容，并预测了它的发展趋势。进而指出 纳米电子学的崛起与发展将会对世纪的量子计算机、量子通信以及量子信息处理等产生革命性的影响。关键词 ：纳米电子学、纳米技术1.引言年晶体管的发明，终结了真空电子学旧时代，开创了固体电子学新时期。可以说，在过去的半个多世纪中，以集成电路发展为主要标志的微电子技术和其后相继发展起来的半导体超晶格及其各种低维量子结构的研究，使信息科学技术的发展提高到了一个前所未有的高度。 无论从发展水平和速度而言，还是从涉及层面与范围来看，都是其他学科领域所无可比拟的。这种锐不可挡的发展趋势

2、21 世纪仍在继续。目前，一个以纳米量子器件为主攻方向的纳米电子学崭新时代已经来临，并已引起世界各国包括政府机关、科研机构和产业部门等多方面的高度重视。因为它的发展水平同微电子技术一样，体现了一个国家的综合国力。我国在充分吸取和借鉴微电子技术发展的经验与教训的基础上，近年也出台了一系列的发展规划与对策， 从而为发展具有自己知识产权的纳米电子技术与产业奠定了良好的基础。纳米电子学是由纳米技术与微电子技术相结合所产生的一个新兴学科，其主要目的是研究各种纳米半导体材料的电子性质与制备方法，以及在未来纳米量子器件中的应用等。纳米电子学的发展沿革从历史发展的角度来看，任何一个新兴学科和技术的发展，都具有

3、鲜明的时代特征，并植根于当时科学发展的肥沃土壤。如量子力学的出现导致了固体能带理论的形成和固态电子器件的诞生，使微电子技术获得了迅速发展，就是明显例证。本世纪初兴起的纳米电子学研究，也同样具有深刻的社会与科技发展背景。一般认为纳米电子的由来与发展有两条路径：一条是以无机材料的固态电子器件尺寸和维度不断变小的自上而下的发展路径；另一条则是基于化学有机高分子和生物分子的自组装功能器件尺度逐渐变大的自下而上的发展过程。基于固态电子器件尺寸不断变小的自上而下发展路径年，美国科学家基尔比发明了集成电路， 开创了微电子技术发展的新时代。特别是年以后，晶体管及其集成电路的出现， 开始了微电子工业蓬勃发展的历

4、史进程。年， 英特尔公司的创始人摩尔科学而及时地总结了集成电路的发展规律，提出了著名的“摩尔定律”，即集成电路的集成度每年增长倍。迄今为止， 集成电路一直严格遵循这一定律发展。从最初每个芯片上仅有个晶体管的小规模集成电路，发展到今天能集成上亿个器件的甚大规模集成电路。 预计到年，器件特征尺寸为的集成电路将投入批量生产，此后将进人以纳米晶体管为主的纳米电子学时代。纵观半导体集成电路的整个发展历程可以看出， 微电子器件特征尺寸的按比例缩小原理起了至关重要的作用，也正是这种器件尺寸日渐小型化的发展趋势，促使人们所研究的对象由宏观体系进入到纳米体系。从这个意义上说，纳米电子学是微电子学发展的必然结果“

5、。自上而下发展路径的另一个分支是半导体结构的低维化。年，日本著名物理学家江崎及其合作者所提出的半导体超晶格概念，具有巨大的创新意义和潜在的应用前景。从年到年，是半导体超晶格与量子研究的黄金时期。在这年中， 不仅它们自身获得了令世人瞩目的进展。尤其重要的是其开创了凝聚态物理学新进展中低维物理研究的全新领域。世纪年代初期，纳米科名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 学技术在全世界急速兴起，首当其冲的是纳米材料的制备、表征与

6、物性研究。一时之间各种纳米材料的形成技术应运而生，其中，分子自组装技术用于有机纳米团簇与超分子的制备引起了化学与材料学家的广泛重视。这是由于此类材料在光学、电学、磁学、机械以及催化和环保等许多领域都有着潜在的应用价值。分子自组装的最主要应用，则是利用该技术制作具有特定功能的纳米量子器件，无疑这是一条纳米电子学的自下而上的发展路径。发展纳米电子学的另外一条重要途径就是由无机材料构成的纳米微粒、纳米薄膜和纳米固体的研究。年， 德国的著名材料物理学家格莱特教授率先采用物理方法制备了由纳米晶粒和晶粒间两种形成的纳米固体材料，在世界范围内引起了轰动。其后，人们纷纷采用各种工艺，如分子束外延、激光烧蚀沉积

7、、磁控溅射、等离子体化学汽相沉积、凝胶-溶胶法和高能离子注入等沉积生长了各类纳米薄膜材料，并设计和制作了一系列低维量子结构器件。纳米电子学的理论基础如果说微电子学的理论基础是固体能带理论，那么纳米电子学的理论基础则是各种量子化效应。而在不同的纳米结构与器件中，其量子化效应的物理体现也是多种多样的。换言之，也正是各种量子化效应的出现，才导致了具有不同量子功能纳米量子器件的诞生。 短沟道量子化效应集成电路中晶体管的栅氧化层厚度和沟道长度一起按比例缩小将会对器件和电路挣产生。重要影响， 主要反映在以下几个方面：一是对于很薄的栅氧化层，在达到本征击穿电场强度之前， 会形成穿越氧化层的隧穿电流，以致对其

8、特性造成影响；二是栅氧化层的不断减薄，会由于多晶硅栅耗尽效应而导致晶体管的有效栅电容减小，这会直接影响器件的稳定性和可靠性； 三是晶体管表面反型层的量子化将引起表面势的显著变化，从而器件的阈值电压发生变化；四是短沟道量子效应还将导致强电场下结发生量子机制的带带隧穿，使结泄漏电流明显增大。此外，随着沟道长度的缩小，使得沟道方向的电场不断增大， 从而引起载流子漂移速度的饱和与迁移率的退化，这是设计和制作纳米器件所必须考虑的。库仑阻塞效应如果一个量子点与它周围外界之间的电容为量子尺寸效应是设计量子点光电子器件，如发光二极管和激光器的重要物理基础。它所表述的物理事实是， 当半导体材料由体相转变为纳米结

9、构后，会导致其带隙的加宽和量子化能级的出现， 从而由于晶体中平移对称性的丧失使得动量守恒定律要求的禁戒跃迁放松约束，其结果是无声子参与的直接跃迁几率大大增加，因而有效地改善了其发光特性电导呈量子化现象电导量子化， 即电导和它的倒数电阻是量子化的，量子电阻，因此它不再像经典物理所描述的那样，即电压对电流的比例为一常数。利用量子点接触中的这种电子输运特性可以制成量子开关、逻辑电路以及量子相干器件等。量子尺寸效应料的发光强度进一步增加，而且还会发生谱峰蓝移现象，这在具有强三维量子限制效应的纳米微粒和纳米量子点中的表现尤为突出。此外， 量子尺寸效应还体现在，低维纳米体系具有较大的激子束缚能和锐化的态密

10、度，这对量子点激光器的设计十分有利。自旋极化电子输运纳米体系中的光子控制通过人为控制纳米半导体结构中电子的运动，可以制作出具有各种量子功能的纳米电子器件。 比振荡以及无阈值激射等。近场光学现象在超高密度光存储、纳米光开关器件以及纳米光加工中都有重要的应用。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 纳米电子学的技术支撑现代科学技术的历史进程证明，任何一门新兴学科的确立与发展，都离不开以先进的工艺作为其技术支撑。如微电子学是以

11、外延、氧化、扩散、 光刻和金属互连等平面工艺作为技术支撑，而半导体超晶格与量子研究则是以分子束外延和金属有机化学沉积等现代超薄层外延工艺作为技术支撑的。那么，未来的纳米电子学将以以下几种工艺作为自己的技术支撑。纳米量子点微结构的自组织生长技术纳米量子点可以由多种方法制备，如在二维电子气系统上制作栅电极，通过施加负电压而实现的量子点和通过湿式或干式蚀刻等选择微加工技术而实现的量子点等。但目前最常用的方法则是基于模式而实现的具有三维量子限制作用的自组织生长。通过优化组合各种工艺参数，可以生长出无缺陷和无损伤的纳米量子点材料。纳米团簇的超分子化学自组装纳米晶态胶体量子点可以利用分子自组装方法加以制备

12、。纳米加工技术所谓纳米加工是由三束（电子束、光子束和离子束）精细加工和表面原子操纵（扫描隧道显微镜和原子力显微镜，即和）相结合而实现的纳米结构形成技术。一般而言，根据所制备纳米结构的不同，可以选择不同的纳米加工方法。5 结语为了满足人类更大信息量的需求，采用量子信息处理、传输、存储、 计算与显示的各类量子信息系统越来越引起人们的高度重视。其， 发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是世纪人们所面临的巨大挑战。所谓量子计算机是利用量子力学原理进行计算的装置，理论上讲它比目前的半导体集成电路计算机有更快的运算速度、更大的信息传输量和更高的信息安全保障。 构造实际的量子计算机可归结为建立一个由量子

13、逻辑门构成的网络，即由提供处于标准态的量子比特的“源” 和能够实现单位变换， 把量子态由一处传送到另一处的“线”以及能对输入的量子比特进行操作的“量子逻辑门”三部分所组成。迄今，人们已经提出了几种实现量子比特构造和量子计算机设想的可行方案，如离子阱量子计算机、腔量子电动力学量子计算机、 核磁共振量子计算机、基核自旋量子计算机以及采用单个电子实现二进制编码的量子点自动机等。但是， 由于量子态在传输、处理和存储过程中可能因环境的干扰而从量子叠加态演化成经典的混合态，即出现所谓的失去相干生问题。因此， 在大规模量子计算中能否始终保持量子态之间的相干，是量子计算机走向实用化前所必须克服的问题。纳米电子

14、学的概念概括起来就是：它是一个采用纳米结构材料所具有的各种量子化效应，通过适宜的纳米加工技术，设计并制作具有实用化的纳米量子器件及其集成电路的学科分支。世纪下半叶， 以晶体管集成电路为基础的微电子技术，对信息科学技术的发展产生了极大推动作用。那么世纪上半叶，以纳米量子器件及集成为基础的纳米电子技术，将对信息、材料、生物以及环境技术等产生比微电子技术更加久远和更加广发的革命性影响。但是， 从整体发展而言， 目前纳米电子学尚处于起步阶段，它是一个综合了多学科的汇合点。它的发展不仅有重大的基础理论意义，而且又有非常诱人的应用前景，有可能为人类的文明与进步带来潜在的经济和社会效益。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -